一种基于Vivaldi天线形式的车载探地雷达装置的制作方法

本实用新型属于天线技术领域，尤其涉及一种基于vivaldi天线形式的车载探地雷达装置。

背景技术：

探地雷达是利用高频脉冲电磁波来探测浅层地下目标、介质分布和地层构造的快速无损检测技术，其中天线是发射和接收电磁脉冲的系统部件。

将探地雷达系统安装在汽车上、机车上或列车上构成车载探地雷达，由于车载平台的空间有限，对天线尺寸提出了很高的要求。探地雷达系统通常采用无载波脉冲电磁波作为发射信号，要求探地雷达天线具有很宽的工作频率带宽、天线的时域响应拖尾幅度小。现有的探地雷达天线主要采用地面耦合天线如bow_tie和喇叭天线等结构来实现。采用地面耦合天线的雷达，工作时要求雷达紧贴地面，对应用场景要求较为苛刻，不能满足车载雷达的检测场景，而且整个系统结构的复杂，制造的困难，尺寸的增大，且天线的工作频率高、带宽相对窄。

技术实现要素：

针对上述现有技术中的不足，本实用新型提供了一种基于vivaldi天线形式的车载探地雷达装置，以解决现有技术中车载雷达天线工作频率高及带宽相对窄的技术问题。

为实现上述目的，本实用新型的技术方案为：

本实用新型一种基于vivaldi天线形式的车载探地雷达装置，包括车载安装箱、中间格挡及vivaldi天线；车载安装箱为一侧敞口的箱体结构，中间格挡水平设置在车载安装箱的中间部位，中间格挡与车载安装箱的敞口侧垂直设置，中间格挡将车载安装箱的内部空间分隔为体积相同的上部腔体和下部腔体；vivaldi天线包括结构相同的第一vivaldi天线和第二vivaldi天线，第一vivaldi天线水平设置在上部腔体内，第二vivaldi天线水平设置在下部腔体内；第一vivaldi天线和第二vivaldi天线同向设置；第一vivaldi天线通过第一传输线与脉冲源连接，第二vivaldi天线通过第二传输线与后处理电脑连接。

进一步的，车载安装箱上设置有第一通孔和第二通孔，第一通孔和第二通孔均设置在与车载安装箱敞口侧相对的侧壁上，第一通孔的圆心与第一vivaldi天线的固定位置重合，第一传输线设置在第一通孔内；第一传输线的一端与第一vivaldi天线连接，另一端与脉冲源连接；第二通孔的圆心与第二vivaldi天线的固定位置重合，第二传输线设置在第二通孔内；第二传输线的一端与第二vivaldi天线连接，另一端与后处理电脑连接。

进一步的，第一vivaldi天线或第二vivaldi天线包括介质板、圆形谐振腔、等宽度槽线、指数渐变槽线、微带馈线及扇形微带短接线；圆形谐振腔、等宽度槽线及指数渐变槽线设置在介质板的正面，圆形谐振腔远离车载安装箱敞口侧；等宽度槽线的一端与圆形谐振腔连接，等宽度槽线的另一端与指数渐变槽线连接，指数渐变槽线包括对称设置的第一指数渐变槽线和第二指数渐变槽线，第一指数渐变槽线和第二指数渐变槽线分别向介质板的左右两端延伸；微带馈线和扇形微带短接线设置在介质板的背面，微带馈线与扇形微带短接线连接。

进一步的，微带馈线包括渐变馈线部分和矩形馈线部分，渐变馈线部分与矩形馈线部分垂直设置；渐变馈线部分采用梯形结构，渐变馈线部分的长底边与第一传输线或第二传输线的位置相适应，渐变馈线部分的短底边与矩形馈线部分的一端连接，矩形馈线部分的另一端与扇形微带短接线连接。

进一步的，车载安装箱采用塑料箱，中间格挡采用塑料板结构。

进一步的，上部腔体和下部腔体的内部壁面上均设置有吸波材料。

进一步的，吸波材料xbw-gf1。

进一步的，vivaldi天线的工作频率为250mhz-1ghz。

进一步的，圆形谐振腔302的直径d＝28mm；等宽度槽线303的长度e＝0.74mm，宽度f＝0.45mm；指数渐变槽线的短边宽度与等宽度槽线的宽度相同，长边宽度g＝190mm，槽线长度l＝140mm，指数渐变槽线304的渐变曲线方程为y＝±(4.2e^0.03x+8.6)。

进一步的，渐变馈线部分3051的长底边宽度m＝2.5mm，短底边宽度w＝1.5mm，渐变馈线部分的长度n＝29.3mm；矩形馈线部分与渐变馈线部分之间的夹角为90°，矩形馈线部分的宽度p＝1.5mm，长度q＝14.5mm；扇形微带短接线半径r＝45mm，扇形微带短接线的圆心角θ＝45°，与竖直基线夹角β＝100°。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果是：

本实用新型提供了一种基于vivaldi天线形式的车载探地雷达装置，通过将两个vivaldi天线分隔设置在车载安装箱内，一方面实现了对vivaldi天线的固定；另一方面两个vivaldi天线分别作为接收和发射天线，将接收和发射天线隔离安装，降低了两个vivaldi天线之间电磁波的直接耦合，保持了天线系统时域拖尾短的前提下，降低天线工作频率，拓展天线带宽，提高辐射效率，减小天线系统的整体尺寸；将vivaldi天线发射的低频电磁脉冲通过空气耦合作用后，进入地下并进行目标探测，增加了探地雷达的探测深度与分辨率；本实用新型尺寸小、重量轻、工作频率低、工作带宽大、探测深度大，可便携安装于探测车内，对地进行有效无损探测。

进一步的，vivaldi天线为锥削槽平面印刷天线，具有宽带特性、低交叉极化特性、易于加工和制造等特点，适合应用多种宽带微波系统中。

进一步的，车载安装箱采用塑料箱，一方面塑料箱实现了对vivaldi天线的支撑作用，另一方面塑料箱相较于金属箱能够减少对电磁波的反射，从而降低了对天线时域特性的影响；中间格挡采用塑料板，减少了两个vivaldi天线之间的直接耦合作用。

进一步的，通过该天线被组装入车载雷达箱体内，并装载吸波材料，屏蔽了空间电磁波对雷达的干扰、减小天线间的互耦合并吸收衰减了除主辐射方向的电磁波，接收的回波信号幅值高且拖尾短。

进一步的，vivaldi天线的工作频率为250mhz-1ghz，工作频率低且频带宽，可以实现更深距离的探测。

进一步的，通过设置合理的指数渐变槽线、与圆形谐振腔相切的扇形微带短截线、渐变馈线及高介电常数介质基板采用ro3010，使得vivaldi天线辐射方向的长度仅为最大工作波长的0.14倍，小于同类型的其他天线。

本实用新型所述的一种基于vivaldi天线形式的车载探地雷达装置，vivaldi天线可通过空气耦合将电磁脉冲有效地耦合进地下进行目标探测，可以对地下目标进行非接触式高速无损探测；该天线利用与圆形谐振腔相切的扇形微带短截线改善负载匹配，可以有效扩展工作带宽。

附图说明

图1为本实用新型所述的车载探地雷达装置的正视图；

图2为本实用新型所述的车载探地雷达装置的后视图；

图3为本实用新型所述的车载探地雷达装置中vivaldi天线的正面结构示意图；

图4为本实用新型所述的车载探地雷达装置中vivaldi天线的背面结构示意图；

图5为本实用新型所述的车载探地雷达装置中的微带馈线的放大结构示意图；

图6为实施例中vivaldi天线的s参数仿真结果图；

图7为实施例中接收天线发射脉冲源时，接收天线上回波信号结果图；

图8为实施例中车载探地雷达装置在距离墙体表面200cm的实际探地结果。

其中，1车载安装箱，2中间格挡，3vivaldi天线；11上部腔体，12下部腔体，101第一通孔，102第二通孔；31第一vivaldi天线，32vivaldi天线；301介质板，302圆形谐振腔，303等宽槽线，304指数渐变槽线，305微带馈线，306扇形微带馈线；3051渐变馈线部分，3052矩形馈线部分。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本实用新型进行详细说明。

参考附图1、2所示，本实用新型一种基于vivaldi天线形式的车载探地雷达装置，包括车载安装箱1、中间格挡2、vivaldi天线3、第一传输线、第二传输线、脉冲源及后处理电脑；车载安装箱1为一侧敞口的长方形箱体结构，车载安装箱采用塑料箱。

中间格挡2水平设置在车载安装箱1的中间部位，中间格挡2与车载安装箱1的敞口侧垂直设置，中间格挡2将车载安装箱1的内部空间分隔为体积相同的上部腔体11和下部腔体12，中间格挡2采用塑料板结构，用于减小耦合作用；上部腔体11和下部腔体12的内部壁面上均设置有吸波材料，以减少接收信号时域拖尾。

vivaldi天线3包括结构相同的第一vivaldi天线31和第二vivaldi天线32，第一vivaldi天线31水平设置在上部腔体11内，第二vivaldi天线32水平设置在下部腔体12内；第一vivaldi天线31和第二vivaldi天线32同向设置；第一vivaldi天线31用作发射天线，用于连接脉冲源连接并发射电磁波；第二vivaldi天线32用作接收天线，用于接收电磁波信号并连接后处理电脑进行数据处理、存储及显示。

车载安装箱1上设置有第一通孔101和第二通孔102，第一通孔101和第二通孔102均设置在与车载安装箱1敞口侧相对的侧壁上；第一通孔101的圆心与第一vivaldi天线31的固定位置重合，第一通孔101用于将车载安装箱1内的第一vivaldi天线31与车载安装箱1外的脉冲源通过第一传输线相互连接，利用外置脉冲源对第一vivaldi天线31进行馈电，第一传输线穿设在第一通孔101内；第一传输线的一端与第一vivaldi天线31连接，另一端与脉冲源连接；第二通孔102的圆心与第二vivaldi天线32的固定位置重合，第二通孔102用于将车载安装箱1内的第二vivaldi天线32与车载安装箱1外的后处理电脑通过第二传输线相互连接，实现对回波信号的存储、处理与显示；第二传输线设置在第二通孔102内；第二传输线的一端与第二vivaldi天线32连接，另一端与后处理电脑连接。第一传输线和第二传输线均采用同轴电缆。

参考附图3-5所示，第一vivaldi天线31或第二vivaldi天线32包括介质板301、圆形谐振腔302、等宽度槽线303、指数渐变槽线304、微带馈线305及扇形微带短接线306，圆形谐振腔302、等宽度槽线303及指数渐变槽线304设置在介质板301的正面，介质板301的两侧正面和背面采用双面印刷，介质板301采用高介电常数介质基板ro3010；圆形谐振腔302远离车载安装箱1敞口侧，圆形谐振腔302用于天线的阻抗匹配；等宽度槽线303的一端与圆形谐振腔302连接，等宽度槽线303的另一端与指数渐变槽线304连接；等宽度槽线303用于起到耦合作用，起到影响电磁波的传输；指数渐变槽线304用于对电磁波的辐射起到引导作用，指数渐变槽线304包括对称设置的第一指数渐变槽线和第二指数渐变槽线，第一指数渐变槽线和第二指数渐变槽线分别向介质板301的左右两端延伸。微带馈线305和扇形微带短接线306设置在介质板301的背面，微带馈线305的一端与第一通孔101或第二通孔102配合，微带馈线305的另一端与扇形微带短接线306连接；同轴电缆的一端通过第一通孔101或第二通孔102与微带馈线305连接，同轴电缆的另一端与脉冲源及后处理电脑，馈电方式采用同轴馈电，分别实现了对第一vivaldi天线31的激励和第二vivaldi天线32对地探测信号实时处理显示。

微带馈线305包括渐变馈线部分3051和矩形馈线部分3052，渐变馈线部分3051与矩形馈线部分3052垂直设置；渐变馈线部分3051采用梯形结构，渐变馈线部分3051的长底边与第一通孔101或第二通孔102的位置相适应，渐变馈线部分3051的短底边与矩形馈线部分3052的一端连接，矩形馈线部分3052的另一端与扇形微带短接线306连接，矩形馈线部分3052位于等宽度槽线303的下方，且与等宽度槽线303垂直交叉设置。

工作原理

本实用新型中第一vivaldi天线与外置脉冲源连接，利用外置脉冲源对第一vivaldi天线进行馈电，第一vivaldi天线用作发射天线，第一vivaldi天线发射的低频电磁脉冲通过空气耦合作用后，进入地下并进行目标探测；第二vivaldi天线作为接收天线，第二vivaldi天线与后处理电脑连接，第二vivaldi天线接收地下目标对电磁波的反射后，对回波信号的存储、处理与显示，依照回波信息对地下目标进行定位分析。

本实用新型中vivaldi天线属于端射式的行波天线，电流通过背面的微带馈线耦合到正面的槽线金属板上，并沿着等宽槽线向指数渐变槽线开口方向传播，由槽线金属板边缘上分布的电流所产生的电场沿指数渐变槽线一边进行辐射一边向前传播，辐射的最大方向沿指数渐变槽线的渐变方向。正面辐射单元中，圆形谐振腔主要用于改善微带馈电线的阻抗匹配程度，等宽度槽线实现将微带馈线传输的电磁波通过耦合传输到辐射金属贴片上，指数渐变槽线主要实现电磁波向外辐射。背面馈电结构中，扇形微带短接线主要改善负载匹配的宽带匹配效果，微带线通过矩形槽线下方，通过耦合作用向辐射贴片馈电。

实施例

车载安装箱1采用一侧敞口的长方形结构，车载安装箱1采用塑料箱，车载安装箱1的高h1＝420mm，长h2＝368mm，宽h3＝180mm；第一通孔101或第二通孔102的直径第一通孔101或第二通孔102的圆心与车载安装箱一侧壁内表面之间的距离m1＝197mm。

vivaldi天线3为长方形板状结构，vivaldi天线3的长a＝365mm，宽b＝170mm，厚h＝3.18mm；介质板301采用ro3010(εr＝10.2，tanδ＝0.3)；吸波材料采用xbw-gf1。

圆形谐振腔302的直径d＝28mm；等宽度槽线303的长度e＝0.74mm，宽度f＝0.45mm；指数渐变槽线304的短边宽度与等宽度槽线303的宽度相同，长边宽度g＝190mm，槽线长度l＝140mm，指数渐变槽线304的渐变曲线方程为y＝±(4.2e^0.03x+8.6)。

渐变馈线部分3051的长底边宽度m＝2.5mm，短底边宽度w＝1.5mm，渐变馈线部分3051的长度n＝29.3mm；矩形馈线部分3052与渐变馈线部分3051之间的夹角为90°，矩形馈线部分3052的宽度p＝1.5mm，长度q＝14.5mm；扇形微带短接线半径r＝45mm，扇形微带短接线的圆心角θ＝45°，与竖直基线夹角β＝100°。

本实用新型所述的vivaldi天线3的工作频率为250mhz-1ghz，并在该频段内实现信号的有效辐射与接收。

参考附图6所示，附图6给出了实施例中vivaldi天线的s参数仿真结果图，从附图6中可以看到vivaldi天线在250mhz-1ghz的范围内，反射系数小于-10db。

参考附图7所示，附图7给出了实施例中接收天线发射脉冲源时，接收天线上回波信号结果图；从附图7中可以看出在车载探地雷达装置前方90cm处放置物体，发射天线连接脉冲源时，接收天线接收到的回波信号；可以看出，接收信号主反射波峰值高，与目标位置相符，并且回波信号拖尾较短。

参考附图8所示，附图8给出了实施例中车载探地雷达装置在距离墙体表面200cm的实际探地结果；从附图8中可以看出车载探地雷达装置能够有效探测目标物体。

本实用新型的目的是针对车载雷达有限安装空间尺寸条件下，设计提供一种可工作在250mhz-1ghz的小型化超宽带vivaldi天线，辐射主方向尺寸远小于同频段其他类型的天线，符合车载雷达空间尺寸限制，同时设计相配套的天线安装箱体。该vivaldi天线由辐射金属贴片、介质基板、阻抗变换器和微带馈电线组成，具有结构紧凑、易于加工、成本低、性能良好等优点，在低剖面结构的基础上对天线的低频工作频率效进行了有效拓展，以实现更佳的探测性能。

本实用新型所述的一种基于vavildi天线形式的车载探地雷达装置，包括一对vivaldi天线、车载安装箱体及吸波材料；一对vivaldi天线分别用作发射与接收天线，并安装于一个车载安装箱内的塑料隔板两边；箱体材料采用工程塑料，除vivaldi天线前向主辐射方向外，箱体内表面及隔板表面除均铺设电磁吸波材料，以屏蔽空间电磁波对雷达的干扰、减小天线间的互耦合并吸收除主辐射方向的电磁波，达到减少接收信号时域拖尾的效果；车载安装箱体的后向开孔，将收发天线通过同轴电缆分别连接脉冲源与后处理电脑，实现对地探测信号实时处理与显示。

vivaldi天线的工作频率为250mhz-1ghz，利用ro3010作为介质基板并实现天线小型化，利用渐变馈线部分改善阻抗匹配，利用圆形谐振腔完成选频与谐振，利用与圆形谐振腔相切的扇形微带短截线改善负载匹配，指数渐变槽线用以实现电磁波的有效辐射。将一对vivaldi天线分别用作发射与接收天线，安装于车载安装箱内的塑料隔板两边，箱体内表面及隔板表面除均铺设电磁吸波材料，以屏蔽空间电磁波对雷达的干扰，最终实现地下目标无损精准探测。

以上显示和描述了本实用新型的基本原理、主要特征及优点。本行业的技术人员应该了解，本实用新型不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本实用新型的原理，在不脱离本实用新型精神和范围的前提下，本实用新型还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本实用新型范围内。本实用新型要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。